基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的籽棉顏色分級(jí)檢測(cè)

徐守東， 冷奕錦， 吳國(guó)新

(安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 棉花工程研究所， 安徽 蚌埠 233041)

棉花的質(zhì)量主要是通過(guò)對(duì)棉花顏色分級(jí)等質(zhì)量指標(biāo)的檢測(cè)來(lái)確定的[1-3]。我國(guó)對(duì)皮棉顏色檢測(cè)采用的是HVI檢測(cè)儀器，籽棉基本靠感官檢驗(yàn)[4-6]。事實(shí)上，皮棉品質(zhì)的優(yōu)劣主要取決于籽棉的品質(zhì)，只有優(yōu)質(zhì)的籽棉才有可能加工出高等級(jí)的皮棉。因此，如何規(guī)范籽棉收購(gòu)檢驗(yàn)，科學(xué)進(jìn)行籽棉顏色等級(jí)測(cè)量，是收購(gòu)加工環(huán)節(jié)亟待解決的問(wèn)題，也是實(shí)現(xiàn)棉花加工工藝精細(xì)化、智能化控制和保障皮棉品質(zhì)的關(guān)鍵因素。籽棉顏色等級(jí)檢測(cè)的難點(diǎn)在于，待測(cè)樣品中的微小異物產(chǎn)生的顏色參數(shù)的奇點(diǎn)，造成顏色等級(jí)的不確定性過(guò)大。已有的有關(guān)棉花顏色等級(jí)的研究主要集中在皮棉方面：Thomasson等[7-9]研究了皮棉中的異物對(duì)顏色測(cè)量的影響，并通過(guò)構(gòu)造一個(gè)不同于一般商用測(cè)色儀的復(fù)雜系統(tǒng)和圖像檢測(cè)方法，來(lái)解決顏色測(cè)量的不確定性問(wèn)題；Kang等[10]通過(guò)使用圖像測(cè)色儀和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具，解決了皮棉測(cè)色不確定度大的問(wèn)題。顯然，籽棉顏色測(cè)量是一個(gè)困難的問(wèn)題，與皮棉相比，籽棉中的異物更多、尺度更大，造成顏色不確定度更大。

本文研究團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)籽棉顏色分級(jí)檢測(cè)儀，但因籽棉及其集合體分布的特殊性，難以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。鑒于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在棉花領(lǐng)域有較多成功案例[11-13]，因此，設(shè)計(jì)了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)改進(jìn)籽棉顏色分級(jí)檢測(cè)原理和方法。擬采用儀器自動(dòng)檢測(cè)籽棉顏色等級(jí)，以期在籽棉收購(gòu)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)籽棉顏色的儀器化檢驗(yàn)，便于客觀準(zhǔn)確地判定籽棉顏色等級(jí)。同時(shí)，在棉花加工環(huán)節(jié)有利于確定籽棉和皮棉顏色等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)改進(jìn)加工工藝、保障加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)棉花加工提質(zhì)增效和貿(mào)易公平具有重要意義。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)備主要由機(jī)殼、光電檢測(cè)裝置、電源、液晶顯示模塊、控制按鍵和通信接口等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 籽棉顏色分級(jí)檢測(cè)儀的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of seed cotton color grade detecting system

光電檢測(cè)裝置由光源、柔光版、顏色傳感器和信號(hào)處理電路構(gòu)成。光源采用十二個(gè)條形發(fā)光二極管(LED) 發(fā)光板，發(fā)出D65光線，經(jīng)柔光版，使光線均勻照射到檢測(cè)樣品上，樣品表面的反射光線反射到顏色傳感器上。傳感器采用TCS3200顏色傳感器，接受被檢測(cè)籽棉樣品表面反射的光線，在單片機(jī)的控制下，讀取和分析其光線的構(gòu)成參數(shù)。

為保證LED發(fā)光均勻，采用恒流供電驅(qū)動(dòng)方式，為避免LED發(fā)出的光直接照射到傳感器表面，在每個(gè)傳感器的外圍設(shè)置了遮光板，如圖2、3所示。微處理器采用T1公司生產(chǎn)的16位低功耗MSP430F249單片機(jī)，控制LED的開(kāi)關(guān)、顏色傳感器的數(shù)據(jù)讀取、液晶屏模塊的顯示，以及與外部設(shè)備的通信。

1.2 硬件工作原理

籽棉樣品檢測(cè)時(shí)，將其放置在顏色分級(jí)檢測(cè)儀的下方，微處理器在檢測(cè)開(kāi)始指令的控制下，控制LED發(fā)光，LED光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)柔光板，均勻透過(guò)玻璃底板照射到被測(cè)籽棉樣品表面。光線經(jīng)樣品表面反射到顏色傳感器的檢測(cè)窗口，顏色傳感器讀取其光線的XYZ刺激值(標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的光譜三刺激值)，計(jì)算出籽棉的顏色特征，據(jù)此分析判定籽棉的顏色等級(jí)，并顯示在液晶顯示屏上。同時(shí)，通過(guò)CP2102USB模塊和無(wú)線通信模塊傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 籽棉反射率與黃度檢測(cè)原理

軟件數(shù)據(jù)處理主要包括以下步驟：顏色傳感器的白平衡校正。RGB(Red,Green,Blue)顏色傳感器對(duì)著校驗(yàn)白板，微處理器讀取顏色傳感器的測(cè)量值，分別記為red0_base、green0_base、blue0_base，base為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；顏色傳感器的顏色識(shí)別。檢測(cè)儀對(duì)著要檢測(cè)的顏色，依次選通RGB顏色傳感器中的3種濾光裝置，測(cè)得三原色的檢測(cè)值，在計(jì)算機(jī)中R、G、B三通道的取值范圍皆為[0,255]；微處理器對(duì)顏色傳感器的顏色坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)國(guó)際照明委員的標(biāo)準(zhǔn)給出的變換公式，可以將任意對(duì)象的顏色，從RGB空間，變換到XYZ顏色空間，然后再變換到L*a*b*顏色空間，該顏色空間可直接給出檢測(cè)籽棉所需的反射率(Rd)和黃色深度(+b)。其中RGB為紅綠藍(lán)三原色，根據(jù)RGB的值可方便得到XYZ顏色空間的三刺激值X、Y、Z。三刺激值中的X不用測(cè)量，實(shí)際檢驗(yàn)時(shí)，根據(jù)Y、Z刺激值就可以得到籽棉樣品的反射率Rd和黃色深度+b。

2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性校正

由顏色傳感器獲取的測(cè)量值(反射率、黃度)往往存在較大偏差，不能直接使用，必須借助標(biāo)準(zhǔn)色板進(jìn)行校正。一般來(lái)說(shuō)，顏色傳感器的直接測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)色板的標(biāo)準(zhǔn)值不會(huì)完全一樣，需要進(jìn)一步進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]被廣泛應(yīng)用于自然語(yǔ)言處理、深度圖像識(shí)別等方面，其中反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[15-16]由于輸入、輸出均可以是實(shí)數(shù)，因而本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)由顏色傳感器的直接測(cè)量值到標(biāo)準(zhǔn)色板標(biāo)準(zhǔn)值的映射。

式(1)為Sigmoid函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可見(jiàn)當(dāng)自變量趨于正無(wú)窮時(shí)該函數(shù)的值趨于1，而當(dāng)自變量趨于負(fù)無(wú)窮時(shí)其值趨于0，具有非線性飽和的特性，與生物神經(jīng)元的響應(yīng)特性非常類似，因而B(niǎo)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般選用Sigmoid函數(shù)作為激活函數(shù)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中：x表示前一級(jí)往本級(jí)的輸入；f(x)表示本級(jí)的輸出。

(1)

Sigmoid函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

f′(x)=f(x)(1-f(x))

(2)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為

(3)

式中，Rd0、+b0指設(shè)備直接測(cè)量所得數(shù)據(jù)，即需要校正的數(shù)據(jù)。中間各級(jí)輸出

A(m+1)=f(n(m+1))=f(W(m+1)A(m)+b(m+1))

m=0,1,…,M-1

(4)

式中：M表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的總層數(shù)(m表示第m層)；A(m+1)及W(m+1)中的上標(biāo)表示第m+1層的輸出和權(quán)重，而不是表示冪數(shù)；b(m+1)表示第m+1層神經(jīng)元的偏置。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最后一級(jí)輸出一般直接用A表示，即

在初中班級(jí)管理工作中，班主任的作用無(wú)比重要且意義重大，班主任的工作用心與否關(guān)系到初中生的身心能否健康發(fā)展，并且班主任也是整個(gè)教學(xué)環(huán)境中的協(xié)調(diào)者，多方面關(guān)系的紐帶和橋梁，因此，班主任應(yīng)該不斷更新教學(xué)觀念，改變管理方式，從而提高我國(guó)中學(xué)生的綜合素質(zhì)。

A=A(M)

(5)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最后一層敏感性反向傳輸?shù)墓綖?/p>

(6)

式(7)是除最后一層以外的前面各層的敏感性反向傳播公式，它與式(4)有明顯的差異，因?yàn)樽詈笠粚邮褂玫氖蔷€性函數(shù)，而前面各層使用的是Sigmoid函數(shù)。

(7)

式中：m=M-1,…,2,1；W(m+1)表示第(m+1)層的權(quán)重。

本文中為提高校正的效果，分別使用2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正Rd和+b及對(duì)樣品進(jìn)行分類，校正原理與過(guò)程如圖4所示；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分類，如圖5所示。

圖4 比色板數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正原理Fig.4 Principle of NN rectification of color board

初始時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果與期望結(jié)果誤差較大。為縮小誤差，一般采用梯度下降法調(diào)節(jié)偏置和權(quán)重，如下式：

Wm(k+1)=Wm(k)-δsm(Am-1)T

(8)

bm(k+1)=bm(k)-δsm

(9)

式中：Wm表示第m層神經(jīng)元的權(quán)重；bm表示第m層神經(jīng)元的偏置；sm表示第m層敏感性；δ表示搜索速率。

由圖4可知，每條訓(xùn)練數(shù)據(jù)由4個(gè)數(shù)組成，前2個(gè)數(shù)是直接測(cè)量得到的Rd、+b，后2個(gè)數(shù)是比色板的標(biāo)稱值，當(dāng)把直接測(cè)量所得Rd、+b數(shù)據(jù)(Rd0、+b0)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，理論上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出應(yīng)當(dāng)?shù)扔诒壬宓臉?biāo)稱值，初始時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與比色板的標(biāo)稱值一般有較大差異，這就需要用梯度下降法調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重和偏置值，直至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與比色板標(biāo)稱值的誤差小于一定閾值為止。對(duì)于50條訓(xùn)練數(shù)據(jù)，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出都與標(biāo)稱值的誤差足夠小時(shí)，表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)訓(xùn)練完成，可以用于實(shí)際棉樣的測(cè)量。

因用于校正的標(biāo)準(zhǔn)色板只有5種，每種色板測(cè)量了10次，一共50個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這就要求神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的未知參數(shù)最好不要超過(guò)50個(gè)，因此本文中采用2個(gè)2×4×4×1網(wǎng)絡(luò)，即2個(gè)輸入(顏色傳感器直接測(cè)量到的值)，2層Signoid非線性轉(zhuǎn)換層，每層4個(gè)元素，1個(gè)輸出(校正以后的Rd或+b)，如圖5所示。

圖5 非線性校正用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Neural network for nonlinear rectification

3 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)主要分4部分進(jìn)行：實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備，也就是籽棉試樣的制作；用標(biāo)準(zhǔn)色板和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)自制色度檢測(cè)儀做籽棉色域空間測(cè)量的可靠性驗(yàn)證；色度檢測(cè)儀對(duì)籽棉色度測(cè)量的有效性驗(yàn)證；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)籽棉樣品進(jìn)行分類與識(shí)別的正確性驗(yàn)證。

3.1 籽棉樣品制作

由于籽棉個(gè)體成熟度等品質(zhì)差異很大，含雜率較高，顏色分布不均勻，很難直接對(duì)其顏色等級(jí)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。現(xiàn)行GB 1103.1—2012《棉花 第1部分 鋸齒加工細(xì)絨棉》對(duì)皮棉分級(jí)做了詳細(xì)的描述和規(guī)定，并具有文字標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)和顏色分級(jí)圖。而對(duì)于籽棉，只是在附錄里與各顏色級(jí)皮棉對(duì)應(yīng)給出了文字描述，沒(méi)有實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)和其他定量依據(jù)。本研究所選用的籽棉樣品，由河北省纖維檢驗(yàn)局、安慶市纖維檢驗(yàn)所和蚌埠市纖維檢驗(yàn)所協(xié)助提供，均是2018年采摘的棉花，產(chǎn)地為新疆、河北、安徽。這些籽棉經(jīng)過(guò)多名棉花檢驗(yàn)專家依據(jù)籽棉文字標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合長(zhǎng)期感官檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)綜合定級(jí)，制作成實(shí)驗(yàn)棉樣，含12個(gè)顏色級(jí)別，包括白棉1級(jí)、白棉2級(jí)、白棉3級(jí)、白棉4級(jí)、白棉5級(jí)、淡點(diǎn)污棉1級(jí)、 淡點(diǎn)污棉2級(jí)、淡點(diǎn)污棉3級(jí)、淡黃染棉1級(jí)、淡黃染棉2級(jí)、淡黃染棉3級(jí)、黃染棉1級(jí)，共480個(gè)試樣。每個(gè)試樣放在30 cm ×30 cm的樣品框中，備實(shí)驗(yàn)使用。黃染棉2級(jí)，因?qū)嶋H上基本不存在，未找到棉樣。

3.2 色度檢測(cè)儀對(duì)顏色測(cè)量的有效性驗(yàn)證

顏色測(cè)量是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，但并不需要自制檢測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)全色域的顏色測(cè)量，只要能做到對(duì)籽棉色域空間實(shí)現(xiàn)色度準(zhǔn)確測(cè)量即可。由本行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)可知，棉花總體而言是淡黃色的，使用Lab顏色空間的Rd和+b這2個(gè)指標(biāo)，最能代表棉花的色度。皮棉就是使用這2個(gè)指標(biāo)來(lái)反映棉花的顏色等級(jí)，并在實(shí)踐中使用了50多年，因此，僅需要少量色板驗(yàn)證檢測(cè)儀的測(cè)色有效性即可。藍(lán)色、綠色等其他不會(huì)出現(xiàn)在籽棉中的顏色，不需要用對(duì)應(yīng)色板來(lái)校正測(cè)色裝置。

校準(zhǔn)檢測(cè)儀選用的一套標(biāo)準(zhǔn)色板有5塊，分別是：棕色板、黃色板、白色板、灰色板和中色板。具體校準(zhǔn)步驟是：對(duì)每塊色板各測(cè)量10次得到測(cè)量值，再用前文所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正，作為檢測(cè)儀對(duì)色板的最終測(cè)量值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。該表中：離差是指測(cè)量值的平均值與標(biāo)準(zhǔn)色板值之差；離差百分比指測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)值偏差除以標(biāo)準(zhǔn)值所得百分比。可以看到，反射率與標(biāo)準(zhǔn)值的絕對(duì)差值的最大值為0.168，黃度與標(biāo)準(zhǔn)值的絕對(duì)差值的最大值為0.031，相對(duì)偏差絕對(duì)值的最大值分別是0.21%和1.11%，均遠(yuǎn)小于5%。根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常平穩(wěn)。這反映出就色域測(cè)量范圍而言，檢測(cè)儀可以滿足籽棉色度的色域檢測(cè)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)色板反射率與黃色深度的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 Calibration of reflectance and yellowness measurements of standard color plates

3.3 籽棉色度測(cè)量值的有效性驗(yàn)證

自制檢測(cè)儀能夠滿足籽棉色域測(cè)量要求，并不代表它能滿足顏色測(cè)量要求，這是由籽棉色度分布特征和顏色測(cè)量的原理決定的。首先，籽棉含有雜質(zhì)，所以其色度分布是不均衡的；再有，顏色傳感元件的感光區(qū)，只有8 mm大小的窗口，即每次只能測(cè)量一個(gè)很小區(qū)域的顏色。這就是說(shuō)，對(duì)籽棉而言，任意2次測(cè)量值不一樣的概率很大。因此需要對(duì)一個(gè)試樣進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，亦對(duì)一個(gè)試樣做多次重復(fù)測(cè)量，然后取平均值，作為試樣的測(cè)量值。本研究對(duì)各籽棉樣品的測(cè)試值采用多次測(cè)量，然后取其平均值，期望這個(gè)平均值是穩(wěn)定的，可以代表試樣的色度。因此，需要證明單個(gè)試樣合適的重復(fù)測(cè)量次數(shù)，本研究將測(cè)量次數(shù)設(shè)計(jì)了10、20、30、40、50次，從每個(gè)顏色級(jí)各取1個(gè)樣品，每個(gè)樣品連續(xù)測(cè)量50次，然后分別求其10、20、30、40、50次的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。對(duì)每個(gè)樣品，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的卡方分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)量次數(shù)大于10，其標(biāo)準(zhǔn)差不受測(cè)量次數(shù)影響。由此可以確認(rèn)，對(duì)籽棉色度測(cè)量，每個(gè)樣品做10次重復(fù)測(cè)量，并以其平均值作為1個(gè)樣品的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，是沒(méi)有問(wèn)題的。

表2 樣品測(cè)量次數(shù)與結(jié)果之間的關(guān)系Tab.2 Relation between measurements and results

3.4 籽棉色度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別

經(jīng)過(guò)對(duì)480個(gè)試樣的測(cè)量，得到480個(gè)籽棉顏色(反射率Rd、黃度+b)數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的基礎(chǔ)是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一定可分類，矛盾的數(shù)據(jù)一定要非常少，否則識(shí)別率會(huì)很低，甚至不能識(shí)別。分類成功率的高低，不但與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有關(guān)，也與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，借助于Python語(yǔ)言中的tensorflow庫(kù)，建立了如圖6所示的實(shí)際棉樣分類用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它的輸入端是儀器(經(jīng)過(guò)圖4的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正)測(cè)量所得色度(Rd、+b)值，輸出端是12個(gè)棉花顏色級(jí)分類(11,21,31,41,51,12,22,32,13,23,33,14)。其中：按照棉花國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)11、21、31、41、51分別表示白棉1級(jí)、白棉2級(jí)、白棉3級(jí)、白棉4級(jí)、白棉5級(jí)；12、22、32分別表示淡點(diǎn)污棉1級(jí)、2級(jí)、 3級(jí)；13、23、33分別表示淡黃染棉1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)； 14、24分別表示黃染棉1級(jí)、2級(jí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出分別以Grade11,Grade12,…,Grade41,Grade51表示。以Grade11為例，理論上若棉樣是白棉1級(jí)則Grade11應(yīng)該為1，其余所有輸出均為-1。NN1，NN2，…，NN12表示12個(gè)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network，簡(jiǎn)寫(xiě)為NN)，這12個(gè)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)大的能進(jìn)行12種分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。理論上若輸入的Rd、+b屬于籽棉某個(gè)顏色等級(jí)，則此顏色等級(jí)對(duì)應(yīng)的子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為1，而其余子網(wǎng)絡(luò)的輸出應(yīng)為-1。顯然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出不可能正好是這2個(gè)數(shù)。判斷時(shí)首先看這12個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中，有哪些輸出是大于0的。從這些輸出大于0的子網(wǎng)中選擇最大的數(shù)所對(duì)應(yīng)子網(wǎng)的顏色等級(jí)，作為輸入Rd、+b的顏色等級(jí)。若12個(gè)子網(wǎng)的輸出都是負(fù)值，表示無(wú)法確定此組Rd、+b的顏色等級(jí)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，若直接將Rd、+b作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，分類的準(zhǔn)確率非常低。因而需要先進(jìn)行升維操作，將原來(lái)的2個(gè)數(shù)升維為15個(gè)數(shù)，再將此15個(gè)數(shù)作為12個(gè)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

圖6 實(shí)際棉樣分類用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 Neural network of seed cotton classification

表3示出籽棉樣品分類準(zhǔn)確率和隨機(jī)識(shí)別率。可以看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類，總體上看效果是非常好的，多數(shù)準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上，不過(guò)白棉1級(jí)和黃染棉3級(jí)的分類效果稍微差一些，分類準(zhǔn)確率在92%的水平。分類準(zhǔn)確率表征了使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的成功率，但并不完全等價(jià)，還需要進(jìn)一步做識(shí)別率的實(shí)驗(yàn)。先從480項(xiàng)數(shù)據(jù)中隨機(jī)挑選80%的數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再用剩余的96項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)籽棉顏色等級(jí)識(shí)別的正確性。可以看到12個(gè)顏色等級(jí)的識(shí)別率都在90%以上，測(cè)試結(jié)果比較理想。

表3 籽棉樣品分類準(zhǔn)確率和隨機(jī)識(shí)別率Tab.3 Classification and recognition of seed cotton %

4 結(jié)束語(yǔ)

在前期工作的基礎(chǔ)上，對(duì)光源的選擇、顏色傳感器的信號(hào)采集、軟件校正等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)色板反射率檢測(cè)的最大絕對(duì)誤差為0.168，最大相對(duì)誤差為0.21%；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)色板黃色深度檢測(cè)的最大絕對(duì)誤差為0.031，最大相對(duì)誤差為1.11%，檢測(cè)結(jié)果達(dá)到了很高的精度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)12個(gè)顏色等級(jí)480個(gè)樣品進(jìn)行了測(cè)試，然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)了顏色等級(jí)90%以上的識(shí)別準(zhǔn)確率。雖然試樣量不夠非常大，樣品產(chǎn)地不夠豐富，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法給籽棉顏色定級(jí)并建立相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)很有希望的方案。后續(xù)研究將進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分析籽棉樣品試軋后的皮棉樣品的測(cè)試結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立籽棉顏色等級(jí)與皮棉顏色等級(jí)的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)籽棉顏色等級(jí)的準(zhǔn)確測(cè)量。為真正實(shí)現(xiàn)貿(mào)易公平、優(yōu)棉優(yōu)價(jià)、優(yōu)棉優(yōu)用，以及實(shí)現(xiàn)棉花加工自動(dòng)化、精細(xì)化、智能化控制提供技術(shù)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。